硅對鎘脅迫下水稻幼苗莖葉元素含量的影響

摘要：通過溶液培養(yǎng)，研究不同濃度的Si（0、30、80、130、180 mg/L SiO2）對Cd（4 mg/L Cd2+）脅迫下水稻（Oryza sativa L.）幼苗莖葉體內(nèi)部分元素含量的影響。結(jié)果表明，Cd脅迫下水稻幼苗莖葉Mg、Cu、Zn、Fe含量明顯下降，加入Si后水稻幼苗莖葉Mg、Cu、Zn、Fe含量明顯上升。可見，Si可通過促進水稻幼苗對Mg、Cu、Zn、Fe的吸收來提高光合作用產(chǎn)物，達到緩解Cd對水稻幼苗莖葉的毒害。尤其是SiO2濃度為130 mg/L時，可更好地提高Mg、Cu、Zn、Fe含量，說明該SiO2濃度可能是緩解水稻幼苗生長的理想濃度。

關(guān)鍵詞：水稻（Oryza sativa L.）；硅（Si）；鎘（Cd）脅迫；元素含量

中圖分類號：S511 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）11-2489-03

Cd為非營養(yǎng)元素， 易被作物吸收，對植物具有明顯的毒害作用， 并通過食物鏈在人體內(nèi)富集，對人和動物造成累積性毒害，影響吸收代謝，增加腎和骨病變的危險，引起骨痛病、蛋白尿、氨基酸尿、糖尿、高血壓、肺氣腫等病癥，不少研究者還發(fā)現(xiàn)攝入過量的Cd有致突變、致畸、致癌的效應[1]。近年來，隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，工業(yè)廢水及生活廢水的不適當排放、污水灌溉、肥料的施用及污泥農(nóng)用等使大量的Cd進入環(huán)境，造成整個生物圈的污染。世界衛(wèi)生組織已確定Cd為優(yōu)先研究的食品污染物，在聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署提出的12種具有全球性意義的危險化學物質(zhì)中，Cd被列在首位[2]。據(jù)報道，中國農(nóng)田重金屬Cd污染面積已達2萬hm2，每年生產(chǎn)的Cd含量超標的農(nóng)產(chǎn)品達14.6億kg，且有日益加重的趨勢[3]。如何緩解或抑制植物Cd毒害已引起人們的廣泛關(guān)注。

水稻（Oryza sativa L.）是中國最主要的糧食作物之一，是人們生活中不可缺少的主食品，是Cd進入人體的重要途徑之一。多年來，國內(nèi)外對Cd在水稻中的吸收、運輸、累積及對水稻的毒害效應進行了大量研究[4]。Si是土壤中最為普遍的元素，它可提高植物對重金屬毒害的耐受力、提高農(nóng)作物產(chǎn)量和改善其品質(zhì)等。目前，關(guān)于Si提高對Al和Mn毒害抗性的研究較多[5]，但Si減輕Cd對水稻毒害作用的研究較少。為此，研究通過探討Si對Cd脅迫下水稻幼苗莖葉中部分元素含量的影響，為闡明Si緩解Cd對水稻幼苗的毒害機制提供一些理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試水稻品種為金優(yōu)528，由廣西大學雜交水稻研究所提供。所用營養(yǎng)液為木村B營養(yǎng)液；所用試劑有Na2SiO4·9H2O、CdCl2·5H2O等，均為分析純。所用儀器有微型植物粉碎機（FZ102型，天津市泰斯特儀器有限公司）、電子天平[AR2130型，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司]、智能微波消解儀（XT-9900A型，上海新拓分析儀器科技有限公司）、原子吸收分光光度計（TAS990型，北京普析通用儀器有限責任公司）。

1.2 貯備液的制備

準確稱取Na2SiO3·9H2O 28.420 0 g溶于去離子水中，不斷攪拌至其完全溶解后定容至1 L，再將其加入至填充有陽離子交換樹脂的層析柱中，共2次，以除去溶液中的Na+，即制成0.1 mol/L硅酸貯備液。CdCl2貯備液按常規(guī)方法制備。

1.3 植株培養(yǎng)

將精選的飽滿水稻種子用1%的NaClO溶液消毒15 min后，去離子水沖洗干凈并浸種48 h。露白后置于尼龍網(wǎng)上發(fā)芽，用0.5 mmol/L CaCl2（pH 6.0）溶液培養(yǎng)至2葉1心后，選取健壯、長勢一致的幼苗移植于盛有木村B營養(yǎng)液（用時稀釋5倍，pH 5.5～6.0）的2.5 L的塑料盆中，每盆種植6穴，每穴4株，共24株。培養(yǎng)期間每天補給營養(yǎng)液2次，每隔2 d更換營養(yǎng)液1次，培養(yǎng)至5葉1心后改用0.5 mmol/L CaCl2溶液培養(yǎng)12～24 h再進行處理。

1.4 試驗設計

試驗共設6個處理組，處理1：僅用木村B營養(yǎng)液5倍稀釋液培養(yǎng)（CK）；處理2～6：木村B營養(yǎng)液5倍稀釋液+Cd2+（4.0 mg/L）+SiO2（濃度分別為0、30、80、130、180 mg/L），每個處理均設3次重復。所有處理組的處理液均用pH計調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后的pH為5.5～6.0，處理4 d，每天用去離子水補充水分蒸發(fā)部分，于玻璃網(wǎng)室內(nèi)自然光照及溫度下培養(yǎng)。另外，在加入CdCl2貯備液前先用稀酸調(diào)節(jié)含有Na2SiO3·9H2O的貯備液，調(diào)節(jié)后的pH為5.5～6.0，以排除加入Na2SiO3·9H2O后引起培養(yǎng)液pH的改變而影響Cd2+的活性。

1.5 樣品處理及測定方法

1.5.1 烘干樣品 處理結(jié)束后將水稻幼苗的莖葉用自來水沖洗干凈，再用去離子水沖洗3次，90 ℃殺青0.5 h后于70 ℃烘箱中烘72 h。

1.5.2 粉碎樣品 從烘箱中取出水稻幼苗的莖葉，用剪刀將水稻幼苗的莖葉剪成小段，用微型植物粉碎機進行粉碎，并磨細過0.5 mm篩后裝入封口袋密封并貯藏在干燥器中備用。

1.5.3 測定方法 采用微波消解-原子吸收分光光度法。用電子天平準確稱取磨碎的水稻幼苗莖葉各0.100 0 g，放入微波消解罐內(nèi)罐中，加入8 mL濃HNO3放入90 ℃的水浴鍋中敞口加熱預處理20 min，待杯內(nèi)黃煙基本散盡，溶液呈半透明狀態(tài)，基本沒有氣泡即可，稍冷卻后補加濃HNO3和H2O2各2 mL，并擦干內(nèi)罐后放入外罐中，蓋緊，置入智能微波消解儀中消解，按照表1程序進行消解。消解完畢后，清澈透明液體為待測液，經(jīng)過進一步定容和配制Fe、Zn、Mg、Cu標準溶液后，用原子吸收分光光度計測定莖葉中的微量元素。

1.6 統(tǒng)計分析

采用鄧肯新復極差法進行多重比較。

2 結(jié)果和分析

2.1 Si對Cd脅迫下水稻幼苗莖葉Mg含量的影響

Mg是葉綠素的重要組成成分之一，還是植物體內(nèi)酶的重要活化劑，它能影響線粒體的發(fā)育，影響能量的產(chǎn)生[6]。

試驗結(jié)果（圖1）表明，在單獨Cd脅迫（處理2）下，水稻幼苗莖葉Mg含量最低，為2.265 mg/g，顯著（P<0.05）低于CK。隨著營養(yǎng)液中SiO2的加入，水稻幼苗莖葉Mg含量隨著SiO2濃度的增加先上升后下降，SiO2濃度為80、130 mg/L時的Mg含量顯著（P<0.05）高于單獨Cd脅迫。當SiO2濃度為30～130 mg/L時，水稻莖葉Mg含量分別上升到2.350、2.394、2.481 mg/g，分別達到CK的96.20%、98.00%、101.54%；當SiO2濃度為180 mg/L時，Mg含量呈現(xiàn)出下降趨勢，降至2.344 mg/g。在Cd脅迫下，Si能提高水稻幼苗體內(nèi)的Mg含量，降低Cd對水稻植株體內(nèi)葉綠素的毒害程度，從而提高了光合作用效率，使生物量增加[7]。

2.2 Si對Cd脅迫下水稻幼苗莖葉Cu含量的影響

Cu是植物正常生命活動所必需的7種微量元素之一，是多酚氧化酶、抗壞血酸氧化酶、細胞色素氧化酶等的組成成分，參與植物體內(nèi)的氧化還原過程。它也存在于葉綠體的質(zhì)體藍素中，參與光合作用的電子傳遞。Cu還可通過影響各種酶的含量和活性來調(diào)控營養(yǎng)物質(zhì)的吸收以及植物體內(nèi)生長物質(zhì)的作用，進而影響植物根、枝、花等器官的分化和發(fā)育[8]。

由圖2可知，在單獨Cd脅迫下，水稻幼苗莖葉Cu含量最低，為0.052 mg/g。隨著營養(yǎng)液中SiO2的加入，水稻幼苗莖葉Cu含量明顯上升，并隨著SiO2濃度增加呈先上升后下降趨勢。當SiO2濃度為30～130 mg/L時，水稻莖葉中Cu含量分別為0.056、0.115、0.103 mg/g，分別達到CK的100.13%、206.51%、 185.28%；當SiO2濃度為180 mg/L時，Cu含量呈現(xiàn)出下降趨勢，降至0.064 mg/g，說明SiO2為80～130 mg/L時能更好地提高Cd脅迫下水稻幼苗體內(nèi)的Cu含量。在Cd脅迫下Si能提高水稻幼苗體內(nèi)的Cu含量可能是通過提高多酚氧化酶、抗壞血酸氧化酶、細胞色素氧化酶的含量和活性，從而促進水稻吸收更多的營養(yǎng)物質(zhì)，進而促進水稻幼苗根系和葉片生長，降低Cd對水稻幼苗的毒害程度[9]。

2.3 Si對Cd脅迫下水稻幼苗莖葉Zn含量的影響

Zn是葉綠素合成的必需元素。Zn不足時植物會失去合成色氨酸的能力，因色氨酸是吲哚乙酸的前體物質(zhì)，所以缺Zn導致吲哚乙酸減少，從而使植株莖部節(jié)間短、蓮叢狀、葉小且變形、葉缺綠。且Zn2+是乙醇脫氫酶等的組成成分之一[6]。

由圖3可知，在單獨Cd脅迫下，水稻幼苗莖葉Zn含量最低，為0.647 mg/g，僅為CK的23.85%。隨著營養(yǎng)液中SiO2的加入，水稻幼苗莖葉Zn含量顯著（P<0.05）上升，并隨著SiO2濃度增加呈先上升后下降趨勢。當SiO2濃度為30～130 mg/L時，水稻莖葉中Zn含量分別上升到0.996、2.056、5.186 mg/g，分別達到CK的36.72%、75.79%、191.15%；當SiO2濃度為180 mg/L時，Zn含量，降至1.060 mg/g，僅為CK的39.09%，表明SiO2在130 mg/L時能更好地提高Cd脅迫下水稻幼苗體內(nèi)Zn含量。在Cd脅迫下Si能提高水稻幼苗體內(nèi)的Zn含量可能是通過提高色氨酸的合成能力，進而提高吲哚乙酸含量。吲哚乙酸是植物體內(nèi)普遍存在的天然生長素，其對植物抽枝或芽、苗等的頂部芽端形成有促進作用，因而可通過促進水稻幼苗頂芽和根系的生長達到提高生物量的目的[5]。

2.4 Si對Cd脅迫下水稻幼苗莖葉Fe含量的影響

Fe雖不是葉綠素的成分，但它在葉綠素的形成中是不可缺少的條件。植物缺少Fe時，葉片便會失綠，嚴重時葉片變成灰白色，必然會影響到植物光合作用和碳水化合物形成。

試驗結(jié)果（圖4）表明，在單獨Cd脅迫下，水稻幼苗莖葉Fe含量最低，為0.525 mg/g。隨著營養(yǎng)液中SiO2的加入，水稻幼苗莖葉Fe含量顯著（P<0.05）上升，并隨著SiO2濃度的增加呈上升趨勢。當SiO2濃度為30～180 mg/L時，水稻莖葉中Fe含量分別上升到0.690、0.875、0.882、0.906 mg/g，分別達到CK的121.03%、153.40%、154.77、158.83%。可見，SiO2濃度為80～180 mg/L時能更有效緩解Cd對水稻幼苗的毒害，從而使Fe含量上升，有利于葉綠素的形成，提高光合作用產(chǎn)物，從而使生物量增加[10]。

3 結(jié)論

細胞內(nèi)重金屬離子能與酶活性中心或蛋白質(zhì)中的巰基結(jié)合，且能取代金屬蛋白中的必需元素（Ca2+、Mg2+、Zn2+和Fe2+），導致生物大分子構(gòu)象改變、酶活性喪失及必需元素缺乏， 干擾細胞的正常代謝過程[11]。研究結(jié)果表明，單獨Cd處理使水稻幼苗葉片F(xiàn)e、Zn、Mg、Cu含量明顯減少。Cd脅迫下水稻植株矮小，幼苗鮮物質(zhì)量下降[11]。隨著Si的加入，與單獨Cd處理相比，水稻幼苗莖葉Fe、Zn、Mg、Cu含量明顯上升。由此可見， Si可緩解Cd對水稻幼苗莖葉的毒害，尤其是在130 mg/L時可更好地提高Fe、Zn、Mg、Cu在水稻幼苗莖葉中的含量。在生理濃度范圍內(nèi)，Si可促進植物對Mg、Fe、Cu、Zn的吸收。

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